草莓采摘机设计研究
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摘 要：草莓采摘劳动强度大，成本高，约占草莓种植生产成本的四分之一。本课题对草莓采摘机构进行了研究，设计并试制了一套采摘机构，将草莓采摘机械化、自动化，以降低人工成本，提高工作效率。
关键词：草莓采摘机;设计;研究
草莓因其可爱独特的外形、酸甜可口的味道以及营养丰富的价值，获得了大众的喜爱。近年来，由于草莓病虫害的预防治理提高，种植与栽培技术的进步，草莓种植在国内得到了很大的推广。武汉市新洲区近几年的草莓种植面积增加迅速，出现几个种植面积过千亩的村子。据新洲区的草莓合作社负责人介绍，本地草莓从11月份就开始上市了，因为比北方城市上市时间早，所以大量的草莓都远销到沈阳、西安、北京等地。草莓采摘劳动强度大，成本高，约占草莓种植生产成本的四分之一，因此需要自动采摘机构以减轻劳动强度，降低生产成本。本课题对草莓采摘机构进行了研究，设计并试制了一套采摘机构，将草莓采摘机械化、自动化，以降低人工成本，提高工作效率，有效减轻果农的劳动负担，有利于进一步扩大草莓生产规模。
一、国内外的研究现状
（一）国内研究现状
草莓采摘机构在国内尚属初步研究阶段，多为实验室研究，很少进入实际生产阶段。草莓采收进行的依然是人工采摘，由于苗圃高度有限，人工采摘需要以下蹲姿態在田坎间反复移动。草莓采摘属于大体力劳动，且长时间以此姿态进行劳作，对身体会产生极大的劳动负荷，腰部损伤几率较大。国内研究的采摘机械基本上是大型器械，整体体积庞大，移动运行需通过导轮或履带，能耗高，效率底，成本难以承受。中国农业大学研发的草莓采摘机器人“采摘童1号”为高架采摘机器人，主体材质为铝合金，能自主搜索、识别和采摘成熟草莓果实。
（二）国外研究现状
在草莓采摘收获方面，德国和日本走在世界的前列。以日本为例，近藤等学者针对现代温室栽培模式的特点，研制出适于高架栽培的草莓采摘机器人设备。该采摘机器人采用5自由度的机械手，视觉系统与其他果蔬采摘机器人相似，采用真空加切割器的末端执行器。收获时，首先由机器视觉系统定位出采摘成熟草莓的空间位置，随后采摘机械手移动到设定的位置，末端执行器接近目标直到把目标草莓吸住。由3对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果柄进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成一次采摘。
二、草莓采摘机工作原理
草莓采摘机由采摘机构、行走机构和控制机构三大部分组成。采摘机构主要完成机械臂对草莓的采摘操作和存储工作。行走机构完成整套装置在田间地垄的行走，并保证装置运行的平顺性和通过性。控制机构包括采摘识别控制，采摘动作控制和行走模式控制。草莓采摘机通过颜色传感器识别草莓是否成熟，当草莓为绿色时，草莓采摘机械手臂反向运动退回，当为红色时，机械手末端执行器以合适的力度夹持住草莓，同时由切割器切断果柄，然后将草莓收集到存储传输装置。
三、草莓采摘机结构设计
（一）采摘机构
采摘机构的主要运动部件是机械手。因为成熟的草莓的表皮比较脆弱，其形状也较复杂，所以机械手的运动形式以及末端采摘执行器的设计都非常关键。机械手能实现360°全身转动、腰转、肩转、肘转、腕转和腕摆六个自由度的运动。设计选择6个自由度的机械手，会让末端执行器的动作更加灵活，使得它能够绕开障碍物进行采摘作业。末端执行器的抓持力控制要求很高，且夹持系统应具有一定柔性，以补偿控制产生的误差，避免夹持力过小而抓取失稳，导致草莓掉落。在实际设计的过程中，基于草莓的物理特性，在机械手采摘草莓的时候，末端执行器首先旋转调整合适的角度，再前进抓住果柄，同时会有一个镍铬电热丝切割果柄。
（二）行走机构
行走机构摒弃了轮式或履带式驱动机构，采用丝杆滑台为移动机构，可以在较窄且不平坦的垄沟中实现较平稳地行走。
（三）控制机构
视觉是人类最重要的感觉之一，我们从外部世界获取信息大部分都是通过视觉完成的，因此草莓采摘机识别装置关键是信息视觉处理。颜色识别传感器主要由彩色摄像机来寻找和识别成熟的草莓，利用双目视觉方法对目标进行定位。采摘时，由视觉系统计算目标的空间位置，然后控制机械手移动到预定位置，末端执行器灵活移动直到完成采摘。我们运用了超声波模块，来确定草莓与机械手的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时以确定草莓与机器手的距离。在节约和效果的分析过程中，我们选择了LD-20MG的舵机，同时增加了六路蓝牙舵机控制板从而达到控制精度高，线性度好，响应速度快。使用者还可以通过蓝牙，使用手柄控制机器，达到更加人性化的设置。
四、结语
本文研究设计出的草莓采摘机，能实现全身转动、腰转、肩转、肘转、腕转和腕摆六个自由度的运动，末端采摘机构不以草莓果实作为抓取目标，而是剪切草莓果柄，不伤害果实。同时增加了六路蓝牙舵机控制板从而达到控制精度高，线性度好，响应速度快。使用者还可以通过蓝牙，用手柄来控制机器，达到更加人性化的设置。行走机构简单可靠，可以在较窄且不平坦的垄沟中行走。整个机构以电动装置作为驱动源，动力单一、简单实用、操作方便，能有效提高采摘效率，降低生产成本，减少农民负担，符合国内农业生产行情，具有广泛的市场前景。
参考文献：
[1]冯青春，郑文刚，姜凯，邱权，郭瑞.高架栽培草莓采摘机器人系统设计[J].农机化研究，2012.7（7）：122-126.
[2]闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3]陈立德.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2008.
作者简介：罗振华，副教授，研究方向：动力机械及工程;蒋芬，副教授，研究方向：汽车设计、工程机械。
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